Abstrak—Telah dilakukan penelitian mengenai pengaruh variasi doping ion Zn 0,3; 0,5; 0,7 pada serbuk Barium M-Heksaferit (BaFe12-xZnxO19) dengan metode kopresipitasi sederhana yang dilakukan untuk menyintesis serbuk Barium M-Heksaferit (BaFe12-xZnxO19) kemudian dikalsinasi pada suhu 1000oC selama 4 jam. Dan metode in-situ polimerization untuk sintesis komposit core-shell PANi/BaM. Dan metode in-situ polimerization untuk sintesis komposit core-shell PANi/BaM. Serbuk PANi/Barium M-Heksaferit BaFe 12-xZnxO19 kemudian dikarakterisasi dengan VSM untuk mengetahui sifat kemagnetannya. Pemberian doping ion Zn yang semakin banyak mempengaruhi sifat kemagnetan menjadi semakin lemah seperti pada BaFe11,3Zn0,7O19 yaitu dengan nilai remanensi magnetik sebesar 10,79 emu/gr dan medan koersivitas sebesar 34,57×10-2 T.
Kata Kunci—BaFe12-xZnxO19, Zn, kopresipitasi, kemagnetan
I. PENDAHULUAN
arium M-Heksaferit (BaM) telah banyak mandapat perhatian sebagai material penyerap gelombang elektromagnet karena rugi magnetiknya (Magnetic
losses) yang berasal dari resonansi gerak domain magnetik
dan relaksasi spin pada frekuensi tinggi medan electromagnet[1] bersama dengan salah satu polimer konduktif yaitu Polianilin (PANi) yang mudah disintesis, monomer yang murah, dan memiliki kestabilan terhadap lingkungan yang lebih baik dibandingkan dengan polimer konduktif lainnya[2]. Polianilin sebagai material penyerap gelombang radar hanya mempunyai rugi eletrik (electrical
loss)[3]. Perpaduan material magnetik dan material
konduktif dapat menjadi material penyerap gelombang Radar yang baik karena serapan magnetik dan elektriknya[4].
BaM merupakan magnet permanen dengan anisotropi magnetik yang tinggi[5], kestabilan kimia yang baik, magnetik saturasi dan medan koersitas yang tinggi (hard
magnetic)[6]. Karena anisotropi kristalinnya BaM memiliki
frekuensi resonansi yang sangat tinggi yaitu sekitar 50-60 Hz[1]. Anistropi dari BaM dapat direduksi dengan subtitusi Fe3+ dengan ion divalent (Zn, Co, Ni, dan lain-lain)[7], sehingga dengan subtitusi ini diharapkan BaM bisa diaplikasikan untuk penyerap gelombang elektromagnet pada daerah X-band.
Sintesis Komposit BaM/PANi telah dilakukan dengan menambahkan serbuk BaM ketika proses polimerisasi PANi, sehingga menghasilkan struktur Kristal BaM yang tidak tereduksi dan terbentuk komposist BaM/PANi dengan struktur core-shell [8].
Jurnal ini membahas material BaFe12O19 yang disintesis dengan menggunakan metode kopresipitasi dan divariasikan
dengan konsentrasi ion doping Zn2+ sehingga akan membentuk material magnetik. Selanjutnya dilakukan sintesis BaM/PANi dengan metode polimerisasi in-situ Polianilin/Barium M-Hexaferrit dengan struktur core-shell yang diharapkan dapat menghasilkan material magnetik bernilai konduktivitas tinggi. Material yang diperoleh tersebut selanjutnya akan dianalisa mikrostuktur core-shell-nya dengan menggunakan Transmission Electron
Microscope (TEM), sifat kemagnetan dianalisa dengan
menggunakan Vibrating Sample Magnetometer (VSM).
II. METODE
Sintesis material komposit Core-Shell Barium M-Heksaferit doping ion Zn (BaFe12-xZnxO19)/Polianilin pada penelitian ini terdiri atas dua bagian, yaitu sintesis partikel magnetik Barium M-Heksaferit (BaM) dan Sintesis Komposit barium M-Heksaferrit/Polianilin (BaM/PAni). Barium M-Heksaferit doping ion Zn (BaFe12-xZnxO19) disintesis dengan metode kopresipitasi, serbuk BaCO3 dan serbuk Zn dengan variasi konsentrasi 0,3; 0,5 dan 0,7 masing-masing dilarutkan ke dalam HCl dan aquades kemudian FeCl3.6H2O juga dilarutkan kedalam aquades. Ketiga larutan tersebut dicampurkan dan diaduk selama 15 menit selanjutnya ditambahkan larutan NaOH secara perlahan lalu diaduk kembali selama 15 menit. Larutan yang dihasilkan dengan pH ≈ 12 setelah penambahan larutan NaOH kemudian dicuci dengan aquades. Selanjutnya disaring kemudian dikeringkan pada temperatur 100oC. Selanjutnya endapan yang telah kering dimortar sehingga didapatkan serbuk prekursor BaM lalu dikalsinasi pada temperatur 1000oC.
Selanjutnya sintesis komposit core-shell PANi/BaM dilakukan dengan metode in situ polimerization. Anilin dan DBSA dilarutkan ke dalam aquades sambil diaduk selama 30 menit, kemudian ditambahkan serbuk BaFe12-xZnxO19 sambil tetap diaduk hingga homogen (merata) lalu didinginkan hingga temperatur 0oC kemudian dipolimerisasi selama 8 jam sambil tetap diaduk dan ditambahkan sedikit demi sedikit larutan inisiator yang terdiri atas larutan
Ammonium Peroxodisulfate (APS). Kemudian setelah
polimerisasi selesai, larutan PANi/BaM disaring sambil dicuci dengan menggunakan aseton dan aquades sampai air pencucinya jernih dan didapatkan gel berwarna biru tua yang selanjutnya dikeringkan dan didapatkan serbuk komposit PANi/BaM.
KARAKTERISASI SIFAT KEMAGNETAN PADA KOMPOSIT
CORE-SHELL BARIUM M-HEKSAFERIT DOPING ION Zn
(BaFe
12-xZn
xO
19)/POLIANILIN
Novita Ratnasari Siswiyanto, M. Zainuri
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Gambar 1. Skema kerja sintesis BaFe12-xZnxO19
Gambar 2. Skema kerja sintesis komposit core-shell PANi/BaM
Serbuk komposit PANi/BaM yang didapatkan dari metode in situ polimerization ini kemudian dianalisis untuk mengetahui sifat kemagnetannya dengan menggunakan VSM.
III. HASILDANPEMBAHASAN
A. Analisis hasil DSC/TGA pada sampel Barium M-Heksaferit
Gambar 3. Grafik DSC/TGA prekursor BaM hasil pengendapan dari proses kopresipitasi
Dari kurva di atas, dapat diamati bahwa terjadi penurunan massa sekitar 13,04% diantara rentang temperatur 25-350oC yang mengindikasikan terjadinya penguapan air dan dekomposisi hidroksida (OH-). Puncak eksotermik pada kurva, dapat diamati pada temperatur 675,67oC yang berhubungan dengan kristalisasi barium M-Heksaferit. Dimana hal yang sama juga diamati pada penelitian sintesis BaM dengan metode kopresipitasi yang dilakukan oleh Hsing dan Yao pada tahun 2007, dimana kristalisasi BaM terdapat pada temperatur 710oC sesuai dengan kurva di bawah ini. Sehingga, berdasarkan hasil pengujian di atas, maka perlakuan panas (heat treatment) untuk mendapatkan kristalin dari BaM, dilakukan pada temperatur 1000oC dengan penurunan massa sebanyak 11,46% diantara rentang temperatur 25-1000oC. Proses kalsinasi dengan temperatur 1000oC dilakukan selama 4 jam dengan tujuan untuk meningkatkan fraksi volum BaM
B. Identifikasi Fasa Barium M-Heksaferit (BaFe
12-xZnxO19)
Analisa struktur Barium M-Heksaferit doping ion Zn (BaFe12-xZnxO19)dilakukan dengan menggunakan XRD
(X-Ray Difraction) untuk mendeteksi fase yang terdapat di
dalam setiap sampel dengan variasi konsentrasi doping Zn2+ yang berbeda-beda yaitu 0,3; 0,5 dan 0,7. Pada pola difraksi dengan variasi konsentrasi doping Zn2+ yang berbeda-beda ini dapat teramati bahwa fase Heksaferit merupakan fase yang dominan.
Pada pola difraksi sinar-X Barium M-Heksaferit dengan konsentrasi doping x=0,3 yang ditunjukkan pada gambar 4, fase yang terbentuk adalah Heksaferite dan Franklinit (ZnFe2O4) dengan prosentase masing-masing fase adalah 99,79% dan 0,21%. Dimana pada fase Franklinit ini terjadi substitusi ion doping Zn2+ menggantikan ion Fe3+ pada posisi struktur tetrahedral Barium M-Heksaferit.
Pada pola difraksi sinar-X Barium M-Heksaferit dengan konsentrasi doping x=0,5 yang ditunjukkan pada gambar 5, fase yang terbentuk adalah fase Heksaferit dengan prosentase sebanyak 98,23%, fase Hematit sebanyak 1,52% dan fase Franklinit sebanyak 0,25%. Hal ini menunjukkan
Dilarutkan dalam air, diaduk diaduk Larutan Didinginkan 00C Larutan biru tua Polimerisasi 8 jam Dicuci aseton dan aquades sambil disaring Dikeringkan Serbuk komposit
B M/PANi Uji XRD, FTIR, TEM, VSM, two
point probe Larutan inisiator Ammonium peroxodisulfat Anilin + DBSA + serbuk BaM Gel biru tua Dilarutkan Zn (divariasikan) + HCl BaCO3 + HCl FeCl3.6H2O + HCl Larutan A + Larutan NaOH (7M) Prekursor BaM Endapan dicuci & drying T= 100oC Serbuk BaM Kalsinasi 1000OC, 4 jam Uji DSC/TGA, XRF, dan XRD
bahwa selain menyubsitusi ion Fe3+ pada struktur tetrahedral BaM, ion doping Zn2+ juga menyubsitusi Fe3+ pada posisi struktur tetrahedral pada Hematit.
Pada pola difraksi sinar-X Barium M-Heksaferit dengan konsentrasi doping x=0,7 yang ditunjukkan pada gambar 6, fase yang terbentuk antara lain adalah fase Heksaferit dengan prosentase 96,55% dan fase Hematit sebanyak 3,45%. Dimana hal ini menunjukkan bahwa ion doping Zn terlarut dalam struktur kristal Heksaferit, menggantikan posisi ion Fe3+ pada struktur tetrahedral.
Gambar 4. Pola difraksi sinar-X pada BaM doping ion Zn, x=0,3 (BaFe11.7Zn0.3O19)
Gambar 5. Pola difraksi sinar-X pada BaM doping ion Zn, x=0,5 (BaFe11.5Zn0.5O19)
Gambar 6. Pola difraksi sinar-X pada BaM doping ion Zn, x=0,7 (BaFe11.3Zn0.7O19)
Tabel 1. Komposisi Fase Relatif Hasil Penghalusan (refinement) Rieveld untuk Variasi Konsentrasi Doping Ion Zn yang Berbeda dengan Perangkat Lunak Rietica
Konsentrasi Doping
Komposisi Fase Relatif (%) Parameter Kecocokan (GoF)
Heksaferit Hematit Franklinit
0,3 99,79 - 0,21 2,2
0,5 98,23 1,52 0,25 2,1
0,7 96,55 3,45 - 2,1
Tabel 1. menunjukkan bahwa hasil analisis penghalusan yang dilakukan dapat dinyatakan bahwa data tersebut
acceptable karena nilai sebagian besar nilai GoF (Good of Fitness) <4%. Berdasarkan tabel di atas dapat dilihat bahwa
fraksi volum dari BaM menurun setelah mengalami proses pendopingan. Hal ini dapat disebabkan karena pada saat pendopingan, ion Zn tidak seluruhnya tersubstitusi ke dalam BaM, melainkan membentuk fase sendiri yaitu fase Franklinit seperti yang terjadi pada BaM dengan pendopingan ion 0,3 sebanyak 0,21% dan sebanyak 0,25% pada BaM dengan konsentrasi doping ion Zn sebanyak 0,5. Selain itu sebanyak 1,52% pada konsentrasi ion doping Zn 0,5 dan 3,45% pada konsentrasi ion doping Zn 0,7, Zn2+ tersubstitusi ke dalam posisi tetrahedral Fe3+ pada struktur Hematit.
C. Analisis Sifat Kemagnetan
Pengukuran sifat kemagnetan Barium M-Heksaferit dilakukan dengan menganalisa kurva histerisis dengan peralatan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) sehingga dari kurva tersebut dapat diketahui besarnya nilai remanensi (Mr), dan koersivitas (Hc). Untuk menentukan suatu bahan bersifat magnet lemah (soft magnetic) atau magnet kuat (hard magnetic) yang tidak hanya dinilai dari parameter besarnya nilai magnetisasi saturasi tetapi juga dari medan koersivitas dan nilai magnetisasi remanen.
Telah diketahui bahwa bahan Barium M-Heksaferit termasuk bahan magnet keras (hard magnetic) yang merupakan salah satu bahan baik dari segi keilmuan maupun teknologi yang juga sangat penting. Magnet keras merupakan magnet permanen yang memiliki kurva histeresis (Hysteresis loop) yang besar dan mempunyai nilai koersivitas (Hc) yang tinggi. Dari hasil yang didapat dari penelitian sebelumnya, untuk sampel BaM tanpa doping memiliki nilai koersivitas yang paling tinggi dibandingkan dengan nilai koersivitas setelah didoping yaitu dengan remanensi sebesar 29,32 emu/gr dan medan koersivitas sebesar 0,46 T. Koersivitas disebut juga intensitas magnet yang digunakan untuk membedakan hard magnet atau soft
magnet.
Semakin besar medan koersivitasnya maka semakin keras sifat magnetnya, hal tersebut dikarenakan untuk menghilangkan sifat kemagnetannya dibutuhkan medan magnet yang besar. Perbandingan kurva histerisis pada gambar 8 menunjukkan bahwa didapatkan nilai saturasi yang semakin besar dengan nilai koersivitas yang semakin kecil seiring dengan konsentrasi doping yang ditambahkan ke dalam serbuk BaFe12-xZnxO19. Hal ini menunjukkan bahwa BaM yang didoping dengan ion Zn semakin berubah sifatnya dari hard magnetic menjadi soft magnetic. Sesuai dengan tujuan awal penelitian ini untuk penambahan konsentrasi doping ion Zn2+ yang diharapkan dapat mengakibatkan domain-domain magnet pada BaM kembali mengalami ketidaksearahan kembali sehingga sifatnya berubah dari magnet kuat menjadi magnet lemah.
2 theta (deg) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 C ount s 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 2 theta (deg) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 C ount s 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 2 theta (deg) 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 C ount s 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150
Gambar 7. Perbandingan kurva histerisis BaM pada variasi konsentrasi doping Zn (BaFe12-xZnxO19)
Tabel 2. Nilai Remanensi dan Medan Koersivitas BaM untuk Konsentrasi Ion Doping Zn 0,3; 0,5 dan 0,7
Konsentrasi Doping Zn Remanensi (emu/gr) Koersivitas (T) Medan
X = 0 (Irwan, 2012) 29,32 0,46 X = 0,3 3,49 0,3552 X = 0,5 7,13 0,346 X = 0,7 10,79 0,3457
D. Analisa Morfologi Komposit Core-Shell PANi/BaM
Pengamatan morfologi komposit PANi/Barium M– Heksaferit variasi doping ion Zn seperti yang terlihat pada gambar 8 ini telah dilakukan menggunakan perangkat TEM (Transmission Electron Microscopy) dengan perbesaran yang berbeda-beda. Dari hasil pengamatan pada gambar 8 terlihat bahwa ukuran partikel komposit rata-rata ~190 nm. Pada gambar (c) terlihat bahwa ukuran BaM sebagai core ~100 nm. Ukuran partikel BaM ini dikonfirmasi dengan hasil analisis pola difraksi dengan menggunakan perangkat lunak MAUD. MAUD digunakan dengan pertimbangan bahwa perangkat lunak dapat mengoreksi pelebaran puncak dari efek instrument.
Gambar 8. Hasil pengamatan komposit PANi/BaM dengan TEM
Gambar 9. Distribusi ukuran Kristal BaM berdasarkan analisis data difraksi.
Distribusi ukuran Kristal hasil analisis dengan MAUD diberikan pada gambar 9 dengan ukuran kristal rata-rata 101(6) nm. Berdasarkan morfologi komposit BaM/PANi hasil pengamatan TEM diatas terlihat bahwa dengan struktur
core-shell, distribusi filler merata didalam struktur
komposit.
Komposit BaM/PANi yang berhasil disintesis ini mempunyai sifat kemagnetan dan kelistrikan dimana sifat kemagnetannya disumbangkan oleh partikel nano BaM dan sifat kelistrikannya disumbangkan oleh PANi. Dengan sifat ini diharapakan komposit BaM/PANi memiliki rugi magnetik dan elektrik pada saat dikenai gelombang radar pada orde X-Band sehingga dapat diaplikasikan sebagai material pelapis anti radar (Irwan, 2012).
IV. KESIMPULAN
Berdasar penelitian sintesis dan karakterisasi material magnet Barium M-Hexaferrit Doping Ion Zn (BaFe 12-xZnxO19) yang telah dilakukan, dapat diketahui pengaruh penambahan konsentrasi ion doping Zn ke dalam Barium M-Hexaferit berhasil mereduksi sifat kemagnetannya menjadi semakin lemah dengan doping optimum sebanyak 0,7 (BaFe11.3Zn0.7O19) dengan nilai remanensi magnetik sebesar 10,79 emu/gr dan medan koersivitas sebesar 34,57×10-2 T.
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis N. R. S. mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Fisika ITS, Laboratorium Material Fisika ITS serta seluruh pihak yang telah memberi dukungan selama penelitian ini.
DAFTARPUSTAKA
[1] A. Ghasemi, A. Hossienpour, A. Morisako, A. Ashrafizadeh, A. Saatchi, and M. Salehi, “Electromagnetic Properties and Microwave Absorbing Characteristics of Doped Barium Hexaferrite,” vol. 302, pp. 429–435, 2009.
[2] S. Bhadra, D. Khastgir, K. S. Nikhil, and J. H. Lee, “Progress in Preparation, Processing and Applications of Polyaniline,” vol. 34, pp. 783–810, 2009.
[3] T. Ting and K.-H. Wu, “Synthesis, Characterization of Polyaniline/BaFe12O19 Composites with Microwave-Absorbing Properties,” vol. 322, pp. 2160–2166, 2010. [4] C. C. Yang, Y. J. Gung, W. C. Hung, T. H. Ting, and
K. H. Wu, “Infrared and Microwave Properties of -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -2 -1 0 1 2 M agn et is as i (em u /g r)
Medan Magnet (Tesla)
x = 0,3 x = 0,5 x = 0,7
BaTiO3/Polyaniline and BaFe12O19/Polyaniline Composites,” vol. 70, pp. 466–471, 2010.
[5] M. J. Molaei, A. Ataie, S. Raygan, M. R. Rahimipour, S. J. Picken, F. D. Tichelaar, E. Legarra, and E. Plazaola, “Magnetic Property Enhancement and Characterization of Nano-Structured Barium Ferrite by Mechano-Thermal Treatment,” pp. 83–89, 2012. [6] J. Qiu and M. Gu, “Crystal Structure and Magnetic
Properties of Barium Ferrite Synthesized Using GSPC and HEBM,” vol. 415, pp. 209–212, 2006.
[7] M. R. Meshram, N. K. Agrawal, B. Shinha, and P. S. Misra, “Characterization of M-Type Barium Hexagonal Ferrite-Based Wide Band Microwave Absorber,” vol. 271, pp. 207–214, 2004.
[8] I. Ramli and M. Zainuri, Sintesis dan Karakterisasi
Struktur dan Sifat Magnet dan Listrik Komposit Barium M-Heksaferit/Polianilin Berstruktur Core-Shell. 2012.
